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基于气动夹紧的专用夹具设计

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基于气动夹紧的专用夹具设计

摘要本次设计是对换挡拨叉零件的加工工艺规程及部分工序的专用夹具的设计。换挡拨叉零件的主要加工表面是平面及孔。由加工工艺原则可知,保证平面的加工精度要比保证孔的加工精度容易。所以本设计遵循先面后孔的原则。并将孔与平面的加工明确划分成粗加工和精加工阶段以保证加工精度。基准选择以换挡拨叉大外圆端面作为粗基准,以换挡拨叉大外圆端面与两个工艺孔作为精基准。主要加工工序安排是先以换挡拨叉大外圆端面互为基准加工出端面,再以端面定位加工出工艺孔。在后续工序中除个别工序外均用端面和工艺孔定位加工其他孔与平面。并对部分工序实现了气动夹紧。关键词拨叉加工工艺专用夹具气动夹具AbstractThedesignistodecideprocessplanningofshiftforkpartsandspecialclampofpartofadedicatedfixture.Themainprocessingsurfaceoftheshiftforkpartisflatandthehole.Knownbytheprincipleofprocessingtechnology,wecaneasierensureprecisionoftheplaneprecisionthantheholes.Therefore,thisdesignfollowedtheprinciples,whichmachiningtheplanefirst.Andaclearholeandsurfaceprocessingisdividedintoroughingandfinishingstagestoensureaccuracy.Theselectoftheroughbaseisalargecylindricalend,toshiftforkendwithtwolargecylindricalholesasafinereferenceprocess.Thefirstmainprocessingoperationtoshiftforkarrangementisalargecylindricalbasemachinedendfaceeachother,andthenprocessedtofacepositioningtechnologyholes.Inadditiontothefollowupprocessesareusedoutsideofindividualprocessesandprocessendprocessingofotherholeslocationandplane.Anddesignedapneumaticfixtureforoneprocessionoftheworkpiece.KeywordsForkprocessingspecialfixturespneumaticclamp目录摘要ⅢABSTRACTⅣ目录Ⅴ1绪论III1.1本课题的研究内容和意义71.2国内外的发展概况71.3本课题应达到的要求22零件的三维造型33换挡拨叉加工工艺规程设计73.1零件的分析73.1.1零件的作用73.1.2零件的工艺分析73.1.3确定毛坯的制造形式83.2工艺过程设计所应采取的相应措施83.3换挡拨叉加工定位基准的选择83.3.1粗基准的选择83.3.2精基准的选择93.4工艺路线的制定93.4.1工艺方案一93.4.2工艺方案二93.4.3工艺方案的比较与分析93.5机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定103.6确定切削用量及基本工时113.7零件加工工艺小结...224基于气动夹紧的专用夹具设计...234.1设计主旨234.2夹具设计234.2.1定位基准的选择234.2.2定位误差分析234.2.3铣夹具设计的基本要求..234.3气缸的设计计算..244.3.1切削力及切削力矩的计算与分析244.3.2气缸的设计计算265加工2Φ8H8工艺孔夹具设计295.1加工Φ30工艺孔夹具设计295.2定位方案的分析和定位基准的选择295.3配合种类的选择305.4定位误差分析305.5切削力的计算与夹紧力分析315.6钻套衬套钻模板设计315.7活动V形块的设计325.8支撑板的设计325.9夹具体设计.335.9.1夹具精度分析335.9.2夹具操作的简要说明345.10本章小结346结论与展望356.1结论356.2不足之处及未来展望35致谢36参考文献371绪论1.1本课题的研究内容和意义机械的加工工艺及夹具设计是在完成了大学的全部课程之后,进行的一次理论联系实际的综合运用,使我对专业知识、技能有了进一步的提高,为以后从事专业技术的工作打下基础。机械加工工艺是实现产品设计,保证产品质量、节约能源、降低成本的重要手段,合理的机械加工企业上品种、上质量、上水平,加工艺过程是企业进行生产准备、计划调度、加工操作、生产安全、技术检测和健全劳动组织的重要依据,也是速产品更新,提高经济效益的技术保证。合理的机械加工工艺文件不仅能提高一个企业的技术革新能力,而且可以较大程度地提高企业的利润,因而合理地编制零件的加工工艺文件就显得时常重要。机械加工工艺文件的合理性也会受到企业各方面因素的制约,比如企业的生产设备、工人的技术水平及夹具的设计水平等,其中较为重要的是夹具的生产和设计。夹具是机械加工系统的重要组成部分,不论是传统制造,还是现代制造系统,夹具的设计都是十分重要的。好的夹具设计可以提高产品劳动生产率,保证和提高加工精度,降低生产成本等,还可以扩大机床的使用范围,从而使产品在保证精度的前提下提高效率、降低成本。当今激烈的市场竞争和企业信息化的要求,企业对夹具的设计及制造提出了更高的要求。所以对机械的加工工艺及夹具设计具有十分重要的意义。因而不仅要合理结合企业的生产实际来进行零件加工工艺文件的编制,而且还要根据零件的加工要求和先进的加工机床来设计先进高效的夹具。该课题主要是为了培养学生开发、设计和创新机械产品的能力,要求学生能够结合常规机床与零件加工工艺,针对实际使用过程中存在的金属加工中所需要的三维造型、机床的驱动及工件夹紧问题,综合所学的机械三维造型、机械理论设计与方法、机械加工工艺及装备、液压与气动传动等知识,对高效、快速夹紧装置进行改进设计,从而实现金属加工机床驱动与夹紧的半自动控制。在设计气动系统装置时,在满足产品工作要求的情况下,应尽可能多的采用标准件,提高其互换性要求,以减少产品的设计生产成本。1.2国内外的发展概况夹具从产生到现在,大约可以分为三个阶段第一个阶段主要表现在夹具与人的结合上,这是夹具主要是作为人的单纯的辅助工具,是加工过程加速和趋于完善第二阶段,夹具成为人与机床之间的桥梁,夹具的机能发生变化,它主要用于工件的定位和夹紧。人们越来越认识到,夹具与操作人员改进工作及机床性能的提高有着密切的关系,所以对夹具引起了重视第三阶段表现为夹具与机床的结合,夹具作为机床的一部分,成为机械加工中不可缺少的工艺装备。在夹具设计过程中,对于被加工零件的定位、夹紧等主要问题,设计人员一般都会考虑的比较周全,但是,夹具设计还经常会遇到一些小问题,这些小问题如果处理不好,也会给夹具的使用造成许多不便,甚至会影响到工件的加工精度。我们把多年来在夹具设计中遇到的一些小问题归纳如下清根问题在设计端面和内孔定位的夹具时,会遇到夹具体定位端面和定位外圆交界处清根问题。端面和定位外圆分为两体时无此问题,。夹具要不要清根,应根据工件的结构而定。如果零件定位内孔孔口倒角较小或无倒角,则必须清根,如果零件定位孔孔口倒角较大或孔口是空位,则不需要清根,而且交界处可以倒为圆角R。端面与外圆定位时,与上述相同。让刀问题在设计圆盘类刀具如铣刀、砂轮等加工的夹具时,会存在让刀问题。设计这类夹具时,应考虑铣刀或砂轮完成切削或磨削后,铣刀或砂轮的退刀位置,其位置大小应根据所使用的铣刀或砂轮的直径大小,留出超过刀具半径的尺寸位置即可。更换问题在设计加工结构相同或相似,尺寸不同的系列产品零件夹具时,为了降低生产成本,提高夹具的利用率,往往会把夹具设计为只更换某一个或几个零件的通用型夹具。随着现代机械加工越来越多地使用数控机床及组合机床,如何提高产品的加工精度、提高劳动生产率、降低工人的劳动强度,这是所有机械加工行业管理人员必须考虑的问题,这就使得快速夹具的设计和生产应运而生。但随着机械工业的迅速发展,对产品的品种和生产率提出了越来越高的要求,使多品种,中小批生产作为机械生产的主流,为了适应机械生产的这种发展趋势,必然对机床夹具提出更高的要求。特别像换挡拨叉类不规则零件的加工还处于落后阶段。在今后的发展过程中,应大力推广使用组合夹具、半组合夹具、可调夹具,尤其是成组夹具。在机床技术向高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展的带动下,夹具技术正朝着高精高效模块组合通用经济方向发展。1.3本课题应达到的要求通过实际调研和采集相应的设计数据、阅读相关资料相结合,在对金属切削加工、金属切削机床、机械设计与理论及液压与气动传动等相关知识充分掌握后,分析金属切削加工过程中的机床工作台驱动、工件夹紧等方面的相关数据,结合液压与气动传动的相关理论知识,完成气压传动方案分析及气压原理图的拟定,设计气动专用夹具的驱动、夹紧装置,并进行主要气动元件的设计与选择及传动系统的验算校核等,来达到产品的最优化设计。针对实际使用过程中存在的金属加工工艺文件编制、工件夹紧及工艺参数确定及计算问题,综合所学的机械理论设计与方法、机械加工工艺文件编制及实施等方面的知识,设计出一套适合于实际的零件加工工艺路线,从而实现适合于现代加工制造业、夹紧装置的优化设计。2零件三维造型拨叉零件主要是由圆柱和一些孔还有一段圆弧组成,这些外表面都是回转类的表面,用三维造型软件通过拉伸,旋转扫描等变换都可以得到,目前市场上的三维造型软件主要有MasterCAM、UG、Proe、CAXA、Solidworks、CAD1等等。我个人比较喜欢Solidworks,所以拨叉的造型采用Solidworks2这款软件,另外Solidworks还有很多优点如全动感的而用户界面让设计变的非常简单大大提高了设计效率,草图绘制状态和定义特征状态有明显区别,使用起来很方便,Solidworks用强大的基于特征的实体建模功能可以对特征草图进行动态修改,所以我用Solidworks这款软件,下面是我用Solidworks这款软件进行拨叉零件造型的过程。首先我对图纸进行了分析,第一步将零件的主截面的视图草绘出来,草绘结果如图2.1所示。接下来通过草绘可以把Φ40的外圆和花键孔拉伸出来,拉伸过程及结果如图2.2所示。为了能把Φ40的外圆拉出来后再画它上面的圆弧,就要在画圆弧前先要拉伸一块板,按主截面的草绘图增加小头实体,增加的实体及拉伸的结果如图2.3所示。增加此块实体的目的是通过这块板再经过拉伸切除把除圆弧以外的多余部分切除,最后圆弧就做出来,因此先要做拉伸切除的草绘,只有这样才能做拉伸做出来的草绘效果,其效果图如图2.4所示。图中蓝线围成的截面轮廓是拉伸切除中要保留的部分,也是后面进行的拉伸面。构建了拉伸截面后,对不需要的部分进行了布尔计算、切除,再进行拉伸,最后的结果如图2.5所示。因为拨叉零件图中圆弧中间有一部分是凸出来的,所以接下来开始进行中间那一部分的造型,开始先画轮廓的草绘,先创建一个基准面然后再画需要扫描切除的轮廓草绘,如图2.6所示。图2.1零件的主视截面图2.2截面拉伸的结果草绘轮廓好了以后再以一个圆弧轮廓进行扫描最后就能得到零件的主体结构形状。另一半同样结构形状的造型原理和过程与前面的完全一样这里不在重复。其最终效果图如图2.7所示。图2.3封闭轮廓拉伸的结果图2.4构建截面拉伸轮廓图2.5拉伸切除后效果图图2.6创建扫描切除的截面接下来就是要对Φ22外圆进行造型分析,可以采用旋转求交集变换得到,开始先进行Φ22外圆的草绘,草绘时直接把孔的草绘也作出来了,草绘结果如图2.8所示。接着就进行旋转变换,变换结果得到的图形如图2.9所示。另一个Φ22外圆的造型可以通过镜像得到,镜像时要有一个基准,在前面构建草图时已经确定了绘图基准,其造型结果如图2.10所示。最后就是要进行Φ29孔的造型,为了能够顺利地对Φ29孔进行造型,首先应在拨叉的主截面图中对Φ29孔进行草绘,其草绘的结果如图2.11所示。草绘后再经过旋转求布尔差集,进行切除就可以得到想要的,最后的结果如图2.12所示。图2.7扫描切出结果图2.8Φ22外圆的草绘图2.10镜像后的形状图2.9旋转拉伸结果花键孔中阶梯孔造型结束后,再对整个零件进行倒角,倒角很简单,Solidworks3直接有倒角的按钮只要直接点击就行了,只需要给出倒角的大小,倒角的结果如图2.13所示。3换挡拨叉加工工艺规程设计3.1零件的分析3.1.1零件的作用图2.13倒角后图形效果题目所给的零件是车床的拨叉。它位于车床变速机构中,主要起换档,使主轴回转运动按照操作者的要求工作,获得所需的速度和扭矩的作用。零件上方的两个φ8孔与操纵机构相连,而下方的φ23孔则是用于与所控制齿轮所在的轴接触。通过上方的力拨动下方的齿轮变速。两件零件铸为一体,加工时分开。图3.1拨叉零件图3.1.2零件的工艺分析零件的材料为HT150,灰铸铁生产工艺简单,铸造性能优良,但塑性较差、脆性高,不适合磨削,由零件图得出以下是拨叉需要加工的表面以及加工表面之间的位置要求1)以Φ40的两外圆端面为主要加工表面的加工面。这一组加工表面包括φ40两外圆端面的铣削,加工φ23的孔以及中间段φ29的孔和插花键槽。其中φ60两外圆端面表面粗糙度要求为Ra6.3um,φ23的孔表面粗糙度要求为Ra6.3um,φ29孔表面粗糙度Ra12.5um,键槽侧面粗糙度为Ra3.2um。2)以φ22的圆端面为主要加工表面的加工面。这一组加工表面包括φ40的两圆端面铣削,端面粗糙度Ra6.3um,钻2φ8孔,两孔有◎φ0.12mm精度要求。3)由上面分析可知,可以粗加工拨叉底面,然后以此作为粗基准采用专用夹具进行加工,并且保证位置精度要求。再根据各加工方法的经济精度及机床所能达到的位置精度,并且此拨叉零件没有复杂的加工曲面,所以根据上述技术要求采用常规的加工工艺均可保证。3.1.3确定毛坯的制造形式零件材料为HT150,考虑零件在机床运行过程中所受冲击不大,零件结构又比较简单,毛坯大批量生产,故选择铸件。查零件制造工艺与装备4同时考虑毛坯的铸造精度及降低毛坯的生产成本,可选择砂型铸造,并采用机器造型较手工造型不但生产效率高,而其所得到的铸件有较准确的尺寸,毛坯热处理方式为自然时效处理以消除铸造应力。3.2工艺过程设计所应采取的相应措施由以上分析可知。该零件的主要加工表面是平面及孔系。一般来说,保证平面的加工精度要比保证孔系的加工精度容易。因此,对于该零件来说,加工过程中的主要问题是保证平面的尺寸精度以及孔的尺寸精度及位置精度,处理好孔和平面之间的相互关系。该类零件的加工应遵循先面后孔的原则即先加工零件的基准平面,以基准平面定位加工其他平面。然后再加工孔系。换挡拨叉的加工自然应遵循这个原则。这是因为平面的面积大,用平面定位可以确保定位可靠夹紧牢固,因而容易保证孔的加工精度。其次,先加工平面可以先切去铸件表面的凹凸不平。为提高孔的加工精度创造条件,便于对刀及调整,也有利于保护刀具。换挡拨叉零件的加工工艺应遵循粗精加工分开的原则,将孔与平面的加工明确划分成粗加工和精加工阶段以保证孔系加工精度。3.3换挡拨叉加工定位基准的选择3.3.1粗基准的选择粗基准选择应当满足以下要求(1)粗基准的选择应以加工表面为粗基准。目的是为了保证加工面与不加工面的相互位置关系精度。如果工件上表面上有好几个不需加工的表面,则应选择其中与加工表面的相互位置精度要求较高的表面作为粗基准。(2)选择加工余量要求均匀的重要表面作为粗基准。例如机床床身导轨面是其余量要求均匀的重要表面。因而在加工时选择导轨面作为粗基准,加工床身的底面,再以底面作为精基准加工导轨面。这样就能保证均匀地去掉较少的余量,使表层保留而细致的组织,以增加其耐磨性。(3)应选择加工余量最小的表面作为粗基准。这样可以保证该面有足够的加工余量。(4)尽可能选择平整、光洁、面积足够大的表面作为粗基准,以保证定位准确夹紧可靠。(5)粗基准应避免重复使用,因为粗基准的表面大多数是粗糙不规则的。多次使用难以保证表面间的位置精度。综上要求,粗基准选择以拨叉大外圆端面作为粗基准,先以拨叉大外圆端面互为基准,两个φ22mm孔外圆表面为辅助粗基准加工出端面,再以端面定位加工出工艺孔。在后续工序中除个别工序外均用端面和工艺孔定位加工其他孔与平面。3.3.2精基准的选择精基准的选择考虑要保证零件的加工精度和装夹准确方便,依据基准重合原则和基准统一原则,以粗加工后的底面为主要的定位精基准,满足基准重合4原则,以φ22mm圆柱表面为辅助的定位精基准。3.4工艺路线的制定制定工艺路线根据零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求,以及加工方法所能达到的经济精度,在生产纲领已确定的情况下,可以考虑采用万能性机床配以专用工夹具,并尽量使工序集中来提高生产效率。除此之外,还应当考虑经济效果,以便使生产成本尽量下降。由于生产类型为大批生产,故采用组合机床及专用工夹具,并尽量使工序集中来提高生产率,除此之外,还适当降低生产成本。3.4.1工艺路线方案一工序1铸造毛坯工序2时效处理工序3粗铣半精铣φ40两端面工序4粗铣半精铣2φ22两端面工序5钻扩铰孔φ23工序6镗孔φ29工序7拉花键孔φ26工序8钻铰2φ8孔工序9倒角工序10去毛刺清洗工序11终检入库3.4.2工艺路线方案二工序1铸造毛坯工序2时效处理工序3粗铣半精铣φ22圆的两端面工序4钻铰2φ8孔工序5粗铣半精铣φ40两端面工序6钻扩铰φ23孔工序7镗孔φ29工序8拉花键孔φ26工序9倒角工序10去毛刺清洗工序11终检入库3.4.3工艺方案的比较与分析上述两方案方案一是先加工大孔φ23,拉花键孔后再以φ23孔为基准加工小孔φ8,而方案二先加工小孔φ8,以小孔为基准加工各面及φ23内孔.由方案一可见φ23孔为基准加工φ8精度不易于保证,且工序不集中,不符合大批量生产方式。方案二先加工φ8不能保证精度,且工序也比较分散。综合以上分析比较,设计出工艺路线方案三较前两种工艺方案工序集中,提高生产效率,拉花键孔放在后面工序,也能保证了加工孔的精度要求。最终确定的工艺方案如下最终工艺路线方案工序1铸造毛坯工序2时效处理工序3粗铣半精铣φ40端面工序4粗铣半精铣2φ8两端面工序5钻扩绞φ23孔工序6钻铰2φ8孔工序7镗孔φ29内孔倒角C1工序8拉花健孔φ26工序9倒角工序10去毛刺清洗工序11终检入库3.5机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定换挡拨叉零件材料为HT150,采用砂型铸造毛坯大批量生产。选择工序间加工余量的主要原则15①应采用最小的加工余量,以求缩短加工时间,并降低零件的制作费用②加工余量应能保证图纸上所规定的表面粗糙度及精度③决定加工余量时应考虑零件热处理时引起的变形,否则可能产生报废④决定加工余量时应考虑所采用的加工方法和设备,以及加工过程中零件可能发生的变形⑤考虑零件的大小,零件越大,则加工余量也越大综上所述,选择各工序加工余量㈠铣φ40mm外圆端面考虑其表面粗糙度要求为Ra6.3mm,可先粗铣,再半精铣。查金属机械加工工艺人员手册5P1050表1327取2Z3mm㈡铣2φ22mm两圆端面其表面粗糙度要求为Ra6.3mm,可先粗铣,再半精铣。根据5P1050表1327取2Z3mm即可满足要求㈢加工φ23H8孔其表面粗糙度要求较高为Ra6.3mm,其加工方式可以分为钻,扩,铰三步,根据5可得P1044表1312,孔径≤30mm,直径余量≤4mm,确定工序尺寸及余量为钻孔φ20mmZ20mm扩孔φ22.2mmZ2.2mm铰孔φ23H8Z0.8mm㈣加工2φ8H8孔精度等级为IT8,其加工方式可以分为钻,铰二步,根据根据5可得孔径≤30mm,直径余量≤4mm,确定工序尺寸及余量为钻孔φ7.8mm铰孔Φ8H8Z0.2mm㈤镗φ29mm孔表面粗糙度要求为Ra12.5mm,分两次粗镗加工即可满足精度要求。镗孔φ27mmZ4mm镗孔φ29mmZ2mm㈥拉花键孔(6φ23H8mmxφ26H8x6D9mm)表面粗糙度要求为Ra3.2,根据根据5可得2Z6mm3.6确定切削用量及基本工时工序1铸造与工序2时效处理非机动时间,在此不作计算工序3粗、半精铣φ40mm两外圆端面加工条件机床专用组合铣床刀具高速刚圆柱形铣刀D63mmd27mm粗齿数Z6,细齿数Z10(1)、粗铣铣削深度apap2mm每齿进给量af根据实用机械加工工艺手册6取af0.08mm/z铣削速度V取v2040m/min,机床主轴转速n01000Vnd取V30,0d63代入公式(31)得100030101201/min3.1463nr根据表114,取169/minnr实际铣削速度V(31)03.146316933.4/min10001000dnVm工作台每分进给量mfmzwffzn(32)取zf0.08fa,6Z,wn169n代入公式(32)得mf0.08616981.12/minmm取80/minmfmm根据机械加工工艺手册被切削层长度l由毛坯尺寸可知ι40mm刀具切入长度1l1l30mm刀具切出长度2lι₂3mm走刀次数为1机动时间1jt121jmllltf(23)取ι40mm,1l30mm,ι₂3mm,80mf代入公式(23)得1jt40303/800.91min以上为铣一个端面的机动时间,故本工序机动工时为t121jt2X0.911.82min(2)、半精铣铣削深度awaw1mm每齿进给量fa根据机械加工工艺手册取0.06/fammZ铣削速度V参照机械加工工艺手册取2040/minVm,取V30,0d63代入公式(21)得

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